JPH07305132A - 靭性に優れた高弾性アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 重量基準で、Ｆｅ:6〜12％、Ｓｉ:1〜4 ％、
Ｖ:0.3〜3 ％、Ｃｕ:0.3〜3 ％を含有し、ＺｒおよびＭ
ｏのうちの１種または２種以上を含み、残部Ａｌおよび
不可避的不純物からなるアルミニウム合金であって、条
件式、2.5 ≦( Ｆｅ＋Ｖ）／Ｓｉ≦8 を満足し、組織中
に結晶構造が立方格子からなりその平均粒径が2 μm 以
下のＡｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合物が分散してい
る。 【効果】 靭性に優れ、高弾性率を有するアルミニウム
合金材料が提供され、とくに二輪車のフロントフォー
ク、クランクシャフトベアリングキャップなどの機械構
造部材として有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、靭性に優れた高弾性ア
ルミニウム合金、とくに、自動車、二輪車の部品、その
他各種の構造部品、例えば、従来鉄鋼材料が用いられて
いるシリンダーライナー、クランクシャフトベアリング
キャップなどに適用可能であり、アルミニウム合金が使
用されている二輪車のフロントフォークなどに適用して
更に薄肉化することができる靭性に優れた高弾性アルミ
ニウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車、二輪車、内燃機関、コンピュー
タ、その他各種の機器の効率化の観点から構造部品の軽
量化が求められているが、これらの構造部品には剛性を
重視されるものが多いため、構成材料としては、剛性の
高い材料が使用されている。しかしながら、通常、高剛
性の材料を得るためには、弾性率の高い材料を用いる
か、肉厚の大きい材料を用いる方式がとられており、こ
れが軽量化の妨げとなっている。

【０００３】例えば、二輪車のクランクシャフトベアリ
ングキャップには要求される剛性を満足させるために鉄
鋼材料を使用せざるを得ないから軽量化が難しく、フロ
ントフォークにはＡｌ−Ｚｎ系あるいはＡｌ−Ｓｉ系材
料が用いられているが、弾性率の点で薄肉化が制限され
ている。

【０００４】一方、最近開発された急冷粉末冶金法は、
例えばアルミニウム合金溶湯に高圧流体を衝突させ急冷
凝固させて粉化するアトマイズ法によりアルミニウム合
金粉末をつくり、得られた粉末を冷間静水圧プレスによ
り真密度の70〜80％の密度を有する成形体とし、これを
缶に装入して脱ガス後、ホットプレスあるいは熱間静水
圧プレス（HIP)により成形し、缶を除去して圧延、押出
などの加工により十分に緻密化し、必要に応じて熱処理
を加え製品とするものであり、アルミニウムにＳｉやＦ
ｅなどの合金元素を高濃度に固溶させることができると
ともに、結晶粒の微細な組織を得ることができるから、
高弾性のアルミニウム合金材料の製造が可能となる。

【０００５】急冷凝固粉末アルミニウム合金には、Ａｌ
−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系その他各種の合
金系があり、これまで種々の粉末合金が開発されてい
る。このうち、Ｆｅを主要合金成分として含有し、適量
のＳｉ、Ｃｕなどを含むＡｌ−Ｆｅ系の急冷凝固粉末材
料は常温および高温での強度特性に優れているため、エ
ンジン部品など耐熱部品への適用が検討されている。

【０００６】発明者の一人は、先に重量基準で、Ｆｅ:4
〜12％、Ｓｉ:1〜4.0 ％、Ｃｕ:1〜6 ％、Ｍｇ:0.3〜3
％を含有し、必要に応じてＶ:0.5〜5 ％、Ｍｏ:0.5〜5
％、Ｚｒ:0.4〜4 ％の１種または２種以上を合計8 ％以
下含み、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる急冷凝
固粉末材料を開発し特許出願した。（特開平2-247348号
公報) この材料は200 ℃までの高温における強度、延性
に優れ、内燃機関の部品用材料として期待されるもので
あるが、靭性の点で必ずしも十分ではなく、とくに微小
欠陥が存在するような場合、使用環境によっては脆性破
壊を生じるおそれがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、先に開発さ
れた上記のＡｌ−Ｆｅ系急冷凝固粉末合金をベースと
し、この合金の上記問題点を解消するために、添加成分
の組み合わせ、組成範囲をさらに検討した結果としてな
されたものであり、その目的は、高弾性率を有するとと
もに靭性にも優れ、熱間鍛造性も良好なＡｌ−Ｆｅ系の
アルミニウム合金を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による靭性に優れた高弾性アルミニウム合金
は、重量基準で、Ｆｅ:6〜12％、Ｓｉ:1〜4 ％、Ｖ:0.3
〜3 ％、Ｃｕ:0.3〜3％を含有し、ＺｒおよびＭｏのう
ちの１種または２種を合計で0.2 〜2 ％含み、残部Ａｌ
と不可避的不純物からなるアルミニウム合金であって、
条件式、2.5 ≦( Ｆｅ％＋Ｖ％) ／Ｓｉ％≦8 を満足
し、組織中に結晶構造が立方格子からなりその平均粒径
が2 μm 以下のＡｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合物が
分散していることを構成上の特徴とする。

【０００９】また、Ｆｅ:6〜10％、Ｓｉ:1〜3 ％、Ｖ:
0.3〜2 ％、Ｃｕ:0.3〜3 ％を含有し、ＺｒおよびＭｏ
のうちの１種または２種を合計で0.2 〜2 ％含み、残部
Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金であっ
て、条件式、4 ≦( Ｆｅ％＋Ｖ％) ≦8 を満足し、組織
中に結晶構造が立方格子からなりその平均粒径が2 μm
以下のＡｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合物が分散して
いることを構成上の第２の特徴とし、当該アルミニウム
合金が急冷凝固粉末を成形加工して得られたものである
ことを構成上の第３の特徴とする。

【００１０】本発明のアルミニウム合金における各成分
添加の意義および限定理由について説明すると、Ｆｅは
急冷凝固中にＦｅを含む金属間化合物として微細に分散
して合金の強度を高め、優れた靭性および弾性率を与え
る。Ｆｅの含有量が6 ％未満ではその効果が十分でな
く、12％を越えて含有すると金属間化合物が析出量が過
剰となって靭性を害する。従ってＦｅの含有範囲は6 〜
12％が好ましい。より好ましくは6 〜10％の範囲とす
る。

【００１１】Ｓｉは金属間化合物の生成に寄与し強度、
靭性、弾性率を向上させる。Ｓｉの含有量が1 ％未満で
は十分な効果が得られず、4 ％を越えると金属間化合物
が過剰となって靭性を劣化させる。従ってＳｉの含有範
囲は1 〜4 ％が好ましい。より好ましくは1 〜3 ％の範
囲とする。ＶもＳｉと同様、金属間化合物の生成に寄与
し、合金の強度、靭性、弾性率を向上させるが、含有量
が0.3 ％未満では効果が十分でなく、3 ％を越えて含有
すると金属間化合物が過剰となって靭性を劣化させる。
従ってＶの含有範囲は0.3 〜3 ％が好ましい。より好ま
しくは0.3 〜2％の範囲とする。

【００１２】Ｃｕを0.3 〜3 ％の範囲で含有させると、
合金組織中にＡｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合物が安
定して存在し易くなる。また、一部のＣｕが固溶して、
熱間加工性を向上させるとともに強度を高める。Ｚｒと
Ｍｏは合金の強度および弾性率向上に寄与する。好まし
い含有範囲は合計量で0.2 〜2 ％の範囲であり、2 ％を
越えて含有すると合金の靭性が低下する。

【００１３】本発明は、上記のように、Ｆｅ、Ｓｉ、
Ｖ、Ｃｕを必須成分として含有し、選択成分としてＺ
ｒ、Ｍｏを添加してなるものであるが、Ｆｅ、Ｖおよび
Ｓｉの含有量については、条件式、2.5 ≦( Ｆｅ％＋Ｖ
％）／Ｓｉ％≦8 を満足することが必須の要件となり、
この条件で合金材料に靭性、高弾性率を与えるＡｌ−Ｆ
ｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合物の好ましい分散状態が得ら
れる。（Ｆｅ％＋Ｖ％）／Ｓｉ％の値が2.5 未満では同
時にＳｉ粒子が析出分散し、8 を越えるとＡｌ−Ｆｅ系
の金属間化合物が分散する。これらの粒子はアルミニウ
ムマトリックスとの結合力が弱く、粒子自身も脆いた
め、これら粒子の分散は合金の靭性を劣化させることと
なり好ましくない。

【００１４】Ａｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合物は結
晶構造が立方格子からなりその平均粒径が2 μm 以下で
あることが必須であり、この条件下で所定の強度、靭
性、高弾性率が達成される。Ａｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金
属間化合物の平均粒径が2 μmを越えると合金の靭性が
劣化する傾向がある。（Ｆｅ％＋Ｖ％）／Ｓｉ％の値の
さらに好ましい範囲は4 〜8 の範囲である。

【００１５】本発明のアルミニウム合金の好ましい製造
方法について説明すると、上記組成のアルミニウム合金
の溶湯を、ガスアトマイズ法、単ロール法などの急冷凝
固法により10³K/s以上の冷却速度で急冷凝固させ粉末と
する。得られたアルミニウム合金粉末は予備圧縮後アル
ミニウム缶に装入し、あるいは直接アルミニウム缶に装
入して、例えば真空中において脱ガス処理を行う。本発
明のアルミニウム合金粉末の場合、脱ガス処理の温度は
400 〜500 ℃の温度範囲が好ましく、400 ℃未満では脱
ガス効果が十分でなく靭性が低下し、500 ℃を越えると
合金組織中の金属間化合物が粗大化して強度および靭性
を劣化させる。脱ガス処理は、空気中加熱後、短時間真
空引きすることにより行ってもよい。

【００１６】ついで押出加工や鍛造加工により固化、成
形、緻密化処理するとともに、メタルフローを与えるこ
とにより靭性を向上させる。押出加工や鍛造加工は、加
工温度300 〜500 ℃で行うのが好ましい。加工温度が30
0 ℃未満では合金の変形抵抗が大きく加工が困難とな
り、加工温度が500 ℃を越えると、金属間化合物が粗大
化して加工時に割れが発生し易くなる。押出加工の場合
には押出比を4 以上とするのが好ましい。押出比が4 未
満では粉末同士の結合が不十分となり易く靭性が低下す
る。急冷凝固アルミニウム合金粉末を基体に噴射して直
接ビレットを製造するスプレーフォーミング法を使用し
て押出加工用あるいは鍛造加工用のビレットを製造する
こともできる。

【００１７】

【作用】本発明においては、特定量のＦｅ、Ｓｉ、Ｖお
よびＣｕを必須成分として含有させ、ＺｒおよびＭｏを
選択的に添加し、Ｆｅ、Ｖ，Ｓｉ相互の含有範囲を所定
の関係式により限定し、結晶構造が立方格子からなりそ
の平均粒径が2 μ以下のＡｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間
化合物を合金組織中に分散させるという成分的および組
織的組み合わせによって、強度、靭性が向上し、弾性率
が高められて剛性の優れた材料特性が得られることとな
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例 エアアトマイズ法（冷却速度10³ 〜10⁴k/s) により表１
に示す組成のアルミニウム合金粉末を製造した。得られ
た粉末を150 μm 以下に分級し、90mm径×200mm 長さの
アルミニウム容器に充填して、450 ℃の温度で真空脱ガ
ス処理を行った後、粉末を該アルミニウム容器内に密閉
し、これを420 ℃の温度で直径25mmの丸棒材に押出加工
し、粉末を固化、成形、緻密化した。（Ｆｅ％＋Ｖ％）
／Ｓｉ％の値、Ａｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合物の
結晶構造および平均粒径を表１に示す。

【００１９】

【表１】 《表注》○: 金属間化合物（Al-Fe-V-Si系) の大部分が
立方格子であるもの

【００２０】押出加工により得られた丸棒材について引
張強度を測定し、靭性を評価するために、ASTM-E602 に
従う切欠引張試験、およびJIS Z 2202に従うシャルピー
衝撃試験を行った。また、超音波法により縦弾性率を測
定し、熱間加工性を評価するために450 ℃での限界すえ
込み率の測定を行った。結果を表２に示す。表２に示さ
れるように、本発明によるアルミニウム合金は、いずれ
も強度、靭性、弾性率ともに優れた値を示した。

【００２１】

【００２２】比較例 実施例１と同様のエアアトマイズ法により表３に示す組
成のアルミニウム合金粉末を製造し、この粉末を実施例
１と同一の工程で処理して、直径25mmの丸棒材を得た。
得られた丸棒材について、実施例１と同様にして引張強
度を測定し、切欠引張試験、シャルピー衝撃試験を行
い、縦弾性率および限界すえ込み率を測定した。結果を
表４に示す。なお本発明の条件を外れるものには下線を
付した。

【００２３】

【表３】 《表注》○: 金属間化合物（Al-Fe-V-Si系) の大部分が
立方格子であるもの ×: 立方格子が認められないか少量のもの

【００２４】

【表４】

【００２５】表４にみられるように、本発明の合金組成
の限界を外れるもの、組織性状の条件を外れるものは、
とくに靭性において満足すべき値が得られていない。合
金材No.8は、Ｓｉの含有量が少なく、（Ｆｅ＋Ｖ）／Ｓ
ｉ（条件式）の値が8 を越えるため、Ａｌ−Ｆｅ系化合
物が同時に析出して靭性が劣化し、切欠引張強度が低く
なる。合金材No.9は、Ｆｅの含有量が多く、条件式の値
が8 を越えるため、Ａｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金属間化合
物が過剰に生成するとともにＡｌ−Ｆｅ系化合物も析出
して靭性が害され、シャルピー衝撃値および切欠引張強
度が低くなる。合金材No.10 はＶの含有量が多いため、
金属間化合物の析出が過剰となって靭性が害され、シャ
ルピー衝撃値および切欠引張強度が低下する。合金材N
o.11 はＦｅの含有量が少ないため、十分な弾性率が得
られない。

【００２６】合金材No.12 は、条件式の値が2.5 未満で
あるためＳｉ粒子が同時に析出して靭性を劣化させシャ
ルピー衝撃値を低下させる。合金材No.13 はＳｉ量が過
剰で、条件式の値が2.5 未満であるため、金属間化合物
が過剰に生成されるとともにＳｉ粒子も同時に析出して
靭性が害され、シャルピー衝撃値が低くなる。合金材N
o.14 はＣｕ量が過剰であるため安定した金属間化合物
の析出が得られず、靭性が低下しシャルピー衝撃値が低
くなる。合金材No.15 はＺｒ＋Ｍｏの含有量が多過ぎる
ため靭性が低下し、シャルピー衝撃値および切欠強度が
低くなる。合金材No.16 はＣｕ量が少ないため熱間加工
性が劣り限界すえ込み率が低くなる。合金材No.17 はＶ
を含有しないため十分な強度が得られず、シャルピー衝
撃値も低くなる。合金材No.18 はＺｒおよびＭｏを含有
しないため、強度、靭性ともに十分でない。合金材No.1
9 、No20は、Ｍｇを含有するためにシャルピー衝撃値お
よび切欠引張強度が低くなる。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、靭性に
優れ、高弾性率を有するアルミニウム合金材料が提供さ
れ、とくに二輪車のフロントフォーク、クランクシャフ
トベアリングキャップ、コンロッド、その他の機械構造
部材として有用である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量基準で、Ｆｅ:6〜12％、Ｓｉ:1〜4
   ％、Ｖ:0.3〜3 ％、Ｃｕ:0.3〜3 ％を含有し、Ｚｒおよ
   びＭｏのうちの１種または２種を合計で0.2〜2 ％含
   み、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウ
   ム合金であって、条件式、2.5 ≦( Ｆｅ％＋Ｖ％）／Ｓ
   ｉ％≦8 を満足し、組織中に結晶構造が立方格子からな
   りその平均粒径が2 μm 以下のＡｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系
   金属間化合物が分散していることを特徴とする靭性に優
   れた高弾性アルミニウム合金。
2. 【請求項２】 重量基準で、Ｆｅ:6〜10％、Ｓｉ:1〜3
   ％、Ｖ:0.3〜2 ％、Ｃｕ:0.3〜3 ％を含有し、Ｚｒおよ
   びＭｏのうちの１種または２種を合計で0.2〜2 ％含
   み、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウ
   ム合金であって、条件式、4 ≦( Ｆｅ％＋Ｖ％）／Ｓｉ
   ％≦8 を満足し、組織中に結晶構造が立方格子からなり
   その平均粒径が2 μm 以下のＡｌ−Ｆｅ−Ｖ−Ｓｉ系金
   属間化合物が分散していることを特徴とする靭性に優れ
   た高弾性アルミニウム合金。
3. 【請求項３】 請求項１〜２のアルミニウム合金が、急
   冷凝固粉末を成形加工して得られたものであることを特
   徴とする靭性に優れた高弾性アルミニウム合金。